李 剛

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

在工業(yè)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，短路電流是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)短路電流過(guò)高將導(dǎo)致設(shè)備和導(dǎo)體的成本飆升，同時(shí)也會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響[1]。采用合理的措施對(duì)短路電流加以限制對(duì)于控制成本及保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。設(shè)置限流電抗器[2]是最為常見(jiàn)的限流方法，然而由于其增加運(yùn)行能耗、導(dǎo)致運(yùn)行電壓降及占地面過(guò)大等缺點(diǎn)，使得其在工程中的應(yīng)用受到很大限制。

隨著快速開(kāi)關(guān)[3]技術(shù)的發(fā)展和成熟，以其為基礎(chǔ)的快速開(kāi)關(guān)型限流器[4-5]得到越來(lái)越多的應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的限流電抗器，其優(yōu)勢(shì)在于正常運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生電能損耗、無(wú)運(yùn)行壓降、占地空間小且參數(shù)設(shè)計(jì)更為靈活。然而其相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行方式也給設(shè)計(jì)增加了難度，一個(gè)合理的設(shè)計(jì)需要在限流深度、繼電保護(hù)配合和母線殘壓等多方面加以權(quán)衡和考慮，由于現(xiàn)有電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范尚缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和參考示例，實(shí)際應(yīng)用中不乏存在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)那闆r。

本文從快速開(kāi)關(guān)型限流電抗器的原理和特性出發(fā)，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了及在設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題，給出了系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)流程，最后通過(guò)具體工程設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

1 快速開(kāi)關(guān)型限流器工作原理與特性

快速開(kāi)關(guān)型限流器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]，其主要由快速開(kāi)關(guān)、限流電抗器和控制器構(gòu)成。其中快速開(kāi)關(guān)采用電磁斥力結(jié)構(gòu)的操縱機(jī)構(gòu)，可在5 ms內(nèi)完成快速分閘，在10 ms內(nèi)完成合閘?？刂破鞑捎每焖僮R(shí)別算法，可在2 ms內(nèi)快速完成短路故障判斷并迅速分閘。

系統(tǒng)的工作原理是：正常運(yùn)行時(shí)，快速開(kāi)關(guān)保持合閘狀態(tài)使得限流電抗器保持退出狀態(tài)；當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，快速開(kāi)關(guān)快速開(kāi)斷，限流電抗器在15 ms內(nèi)完成投入，短路電流得到限制；故障切除后，控制器通過(guò)檢測(cè)母線電壓回升實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合閘，電抗器回到退出狀態(tài)，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖1 快速開(kāi)關(guān)型限流器結(jié)構(gòu)圖

由其運(yùn)行原理可知，快速開(kāi)關(guān)型限流器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)參數(shù)選擇范圍廣，可實(shí)現(xiàn)深度限流。由于電抗器在正常運(yùn)行過(guò)程中并不投入，故無(wú)需考慮運(yùn)行損耗和運(yùn)行壓降問(wèn)題，限流器可安裝于主變壓器出線處，并采用較大的限流電抗值來(lái)大幅度限制短路電流。

(2)由于電抗器只在故障期間短期投入，選型上只需考慮短時(shí)通流耐受能力而無(wú)需考慮持續(xù)運(yùn)行電流，故電抗器的體積大大減少。

相比于傳統(tǒng)限流電抗器限流方式，快速限流器在設(shè)計(jì)過(guò)程需特別考慮以下問(wèn)題：

(1)繼電保護(hù)配合問(wèn)題。由于快速開(kāi)關(guān)需要在15 ms內(nèi)完成快速故障判斷和分閘，其動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)小于常規(guī)回路動(dòng)作時(shí)間，故其在動(dòng)作時(shí)間上無(wú)法與下游回路構(gòu)成級(jí)差，只能通過(guò)合理選擇其動(dòng)作值來(lái)盡可能保證選擇性。

(2)電壓暫降問(wèn)題。對(duì)于限流器設(shè)于主變壓器出線的情況，當(dāng)限流器動(dòng)作時(shí)，由于電抗器阻抗的分壓作用，會(huì)導(dǎo)致母線殘壓急劇跌落，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此需考慮母線殘壓計(jì)算，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施，如在饋線回路采用快速開(kāi)關(guān)快速隔離故障，或在饋線回路加裝限流器提高殘壓等。

圖2 主接線及短路計(jì)算結(jié)果1

2 基于快速開(kāi)關(guān)型限流器的設(shè)計(jì)

如前述，快速開(kāi)關(guān)型限流器在設(shè)計(jì)上需考慮多種因素，需要將其視為一個(gè)系統(tǒng)工程，綜合考慮工程需要、運(yùn)行方式、繼電保護(hù)配合和電能質(zhì)量等因素，并結(jié)合電力系統(tǒng)建模和計(jì)算，以得到最佳方案。為指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)，提出下述設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例加以說(shuō)明。

(1)根據(jù)配電方案和運(yùn)行方式，對(duì)電力系統(tǒng)建模并進(jìn)行短路電流計(jì)算。

(2)根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，確定快速限流器安裝位置和限流目標(biāo)，估算限流電抗器的阻抗。

(3)對(duì)限流器限流后的短路電流進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)果調(diào)整和確定電抗器阻抗。

(4)結(jié)合限流要求和繼電保護(hù)選擇性要求，確定快速開(kāi)關(guān)的動(dòng)作值。

(5)計(jì)算各饋線回路末端短路時(shí)的主母線殘壓，對(duì)于不滿足要求的回路，使用快速開(kāi)關(guān)或加裝快速限流器等方法加以限制。

(6)根據(jù)最終確定的配電方案進(jìn)行建模和電氣計(jì)算，驗(yàn)證系統(tǒng)短路電流、繼電保護(hù)選擇性及母線殘壓。

鑒于設(shè)計(jì)過(guò)程中需要反復(fù)計(jì)算短路電流和調(diào)整參數(shù)，推薦使用專業(yè)的電力系統(tǒng)計(jì)算軟件工具，如ETAP來(lái)輔助設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本節(jié)通過(guò)一個(gè)工程設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明快速開(kāi)關(guān)型限流器的設(shè)計(jì)流程。

某工程采用ETAP軟件進(jìn)行建模后主接線如圖2所示，已知該工程兩臺(tái)主變壓器采用分列運(yùn)行方式。經(jīng)分析當(dāng)工作方式為母聯(lián)開(kāi)關(guān)DL21合閘，進(jìn)線DL4分閘時(shí)系統(tǒng)短路電流最大，采用ETAP軟件進(jìn)行短路電流計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

(1)電抗器初值選取

綜合考慮設(shè)備選型、導(dǎo)體選擇的經(jīng)濟(jì)性和未來(lái)擴(kuò)展性，工程擬將10 kV系統(tǒng)最大短路電流限制在25 kA以下。

由圖2可知，10 kV母線最大短路電流為33.657 kA，大于工程要求的25 kA，為限制短路電流，分別在兩臺(tái)主變壓器的低壓側(cè)斷路器DL2和DL4下端設(shè)置快速開(kāi)關(guān)型限流器。

如圖知，10 kV母線短路電流由電網(wǎng)電流(25.581 kA)和電機(jī)反饋電流(8.08 kA)兩部分構(gòu)成，其中反饋電流無(wú)法改變，為了將總電流保持在25 kA以下，需將電網(wǎng)電流限制在：25.581-(33.657-25)=16.924 kA。

采用ETAP軟件進(jìn)行計(jì)算，得到電抗器取值為0.14 ohm時(shí)，電網(wǎng)提供的短路電流可限制在16.64 kA，此時(shí)母線最大短路電流為24.6 kA，滿足工程要求。

(2)快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作值選取

由圖2可知，10 kV配電站1和2的最大短路電流分別為12.501 kA和10.005 kA，小于限值25 kA，故10 kV配電站站內(nèi)短路時(shí)無(wú)需限流器投入，此時(shí)應(yīng)上下級(jí)保護(hù)的選擇性?？紤]快速開(kāi)關(guān)控制器10%的動(dòng)作誤差，滿足選擇性要求時(shí)，要求其動(dòng)作值Idz>1.1×12.5=13.75 kA；滿足限流要求時(shí)，要求其動(dòng)作值Idz<1/1.1×16.64=15.13 kA；綜合得到：13.75 kA

(3)母線殘壓校驗(yàn)

各10 kV饋線回路末端發(fā)生短路時(shí)，10 kV母線殘壓計(jì)算如表1所示。由表1可知，DL5和DL10回路末端發(fā)生故障時(shí)，由于限流電抗器的投入使得母線殘壓急劇降低，分別只有1.5%和15.8%，遠(yuǎn)低于70%的常規(guī)要求。為避免母線殘壓過(guò)低造成影響，將DL5和DL10回路開(kāi)關(guān)更換為快速開(kāi)關(guān)，使其在15 ms內(nèi)快速切除短路故障。

表1 母線殘壓計(jì)算表

(4)最終配置及計(jì)算

最終的快速開(kāi)關(guān)和限流電抗器參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)建模和短路電流計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？?/p>

表2 快速開(kāi)關(guān)及限流電抗器定值表

知通過(guò)上述設(shè)計(jì)流程，短路電流、繼電保護(hù)配合和母線故障殘壓?jiǎn)栴}皆得到了很好的解決，系統(tǒng)可靠性得到了最大保障。

圖3 主接線及短路計(jì)算結(jié)果2

4 結(jié)語(yǔ)

快速開(kāi)關(guān)型限流器具有不產(chǎn)生運(yùn)行能耗、運(yùn)行壓降及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)配電中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而其設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，需要綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式、限流深度、繼電保護(hù)和電能質(zhì)量等多種因素，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，不但無(wú)法起到相應(yīng)的效果，反而會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。本文提出的設(shè)計(jì)流程和工程實(shí)例為該類設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，將促進(jìn)該技術(shù)在工程中獲得更為廣泛和成功的應(yīng)用。